第3章 伺服系统与位置检测装置

3.1 概述

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。因此，它的主要作用是：接收数控系统的指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服电动机和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给或快速运动。

数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。

伺服系统是数控装置（计算机）和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。

伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。它将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。

3.1.1 对机床伺服系统的基本要求

1．精度高

伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度，包括定位精度和轮廓加工精度。

2．稳定性好

稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，它直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。

3．快速响应

要求跟踪指令信号的响应要快。伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。

快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。

4．调速范围宽

调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。由于加工所用刀具、被加工零件材质，以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求主轴转速和进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。

5．低速大转矩

进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩。主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

3.1.2 伺服系统的分类

1．按用途和功能分

（1）进给驱动系统

是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，并控制机床各坐标轴的切削进给运动，还提供切削过程所需的力矩。我们主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。

（2）主轴驱动系统

用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。它只是一个速度控制系统。

2．按使用的执行元件分

（1）电液伺服系统

其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩、刚性好、时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统、体积大、噪声、漏油等。

（2）电气伺服系统

其伺服驱动装置是伺服电机（如步进电机、直流电机、交流电机和直线电机等）。其优点是操作维护方便，可靠性高。电气伺服系统又分为直流伺服系统、交流伺服系统和直线伺服系统。

① 直流伺服系统。其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机，主运动系统采用他激直流伺服电机。其优点是调速性能好，缺点是有电刷，速度不高。

② 交流伺服系统。主轴伺服系统采用交流感应异步伺服电机，进给伺服系统采用永磁同步伺服电机。其优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作，动态响应好，转速高和容量大。

③ 直线伺服系统。直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，它采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive）。与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。

3．按控制原理分

（1）开环伺服系统

如图3-1 所示，开环伺服系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。

开环伺服系统的特点如下。

① 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

② 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映到零件上，影响零件的精度。

③ 结构简单，工作稳定，调试方便，维修简单，价格低廉，因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用，一般用于经济型数控机床。

（2）半闭环伺服系统

如图3-2 所示，系统的位置采样点是从伺服电机或丝杠的端部引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测最终运动部件的实际位置。

半闭环伺服系统的特点如下。

① 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。

② 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除，因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。

③ 由于半闭环伺服系统结构简单，调试方便，精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

（3）全闭环伺服系统

如图3-3 所示，系统中有反馈控制系统，位置采样点从工作台引出，可直接对最终运动部件的实际位置进行检测，能得到更高的速度、精度和驱动功率。

全闭环伺服系统的特点如下。

① 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度，机床运动精度只取决于检测装置的精度，与传动链误差无关。但实际对传动链和机床结构仍有严格要求。

② 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计，安装和调试都相当困难。

③ 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床，以及较大型的数控机床等。